专利名称：用于无线通信设备中的m型六角铁氧体天线的制作方法
用于无线通信设备中的M型六角铁氧体天线相关申请的交叉引用本申请要求2010年11月15日申请的、题为“用于千兆赫贴片天线应用的、锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型六角铁氧体”的美国专利申请61/413，866的优先权,通过引用的方式将其合并于此。
背景技术：
高性能的宽带天线已经成为无线通信系统中的重要组成部分。此外，随着移动通信设备尺寸的减少，该小形状因数天线的小型化变得越来越重要。相应的，由于磁性电介质材料(铁氧体)兼有高磁导率(μ r)和高介电常数(ε J，人们对磁性电介质天线越来越感兴趣。根据公式Xrff=c/f V磁性电介质材料内的波长变短。由于天线的带宽(BW)和Ur之间的关系:BW V (μ^/ε山天线的带宽(BW)增加。因此，铁氧体的磁导率和介电常数都对天线的性能发挥着重要的作用。通常，尖晶石型铁氧体与六角晶系铁氧体相比，具有较高的磁导率，但是，由于高频磁损耗严重，所以尖晶石型铁氧体限于低频范围内的天线应用。这主要是由于在铁磁共振(FMR)频率附近，磁损耗突然增加。对于千兆赫(GHz)天线应用来说，铁氧体的FMR频率应当高于天线的谐振频率(fr)。需要指出的是，根据公式FMR=U /2 )Hk，其中，Hk是磁晶各向异性场，Y是旋磁t匕，铁氧体的高Hk导致了高FMR。因此，六角晶系铁氧体具有高Hk，从而具有高FMR频率，所以六角晶系铁氧体是千兆赫天线基板的很好的候选对象。已经研究出了用于地面数字媒体广播(T-DVB: 174-216MHZ)天线应用的软Co2Z铁氧体(Ba3Co2Fe24O41)15然而，Co2Z有一些缺点，例如，高的合成温度(大约1200摄氏度(° C))，以及复杂的相变。另一方面，纯M型六角铁氧体(SrM=SrFe12O 19)具有热力学稳定的简单的晶体结构。因此，能够在相对低的温度(约900° C)生产M型六角铁氧体。然而，SrM是硬磁性，并且由于它的高磁晶各向异性，SrM显示出低磁导率。至少基于这个原因，M型六角铁氧体(SrM=SrFe12O19)通常不用于千兆赫天线应用。
参考附图能够更好的理解本发明。附图中的元件并没有按照彼此之间的实际尺寸来绘制，而将重点放在了清楚地示出本发明的原理上。此外，在一些附图中，相同的参考标记表示相同的部分。图1示出了 M型锶六角铁氧体(SrFe12O19)的晶体结构和Fe3+位的自旋方向。图2示出了制造锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2.5Sn2.5019)粉末的、示例性的方法的流程图。图3示出了合成的锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2.5Sn2.5019)颗粒的X-射线衍射光谱。图4示出了合成的锡(Sn )和锌(Zn )取代的M型锶六角铁氧体(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2.5Sn2.5019)颗粒的磁化强度和矫顽力。图5示出了合成的锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2 5Sn2 5019)颗粒、在各种加入处理条件下的磁滞回线。图6示出了计算的、合成的锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体(Sn/Zn取代的SrM:SrFe12^2xZnxSnxO19)对各向异性场的铁磁共振(FMR)频率。图7A示出了测量的、合成的锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体(Sn/Zn取代的 SrM: SrFe7Zn2 5Sn2 5019)的磁导率谱。图7B示出了测量的、合成的锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2.5Sn2.5019)的介电常数光谱。图8示出了合成的锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2 5Sn2 5019)的磁特性汇总表。图9示出了无线通信装置的一种示例性的实施方式。图10示出了用于诸如图9示出的无线通信装置的、示例性的实施方式的贴片天线。图1lA示出了图10所示出的天线系统在同轴电缆已经连接到天线系统的部件之后的顶视图。
图1lB示出了图1lA示出的同轴电缆的一端的放大图。图1lC示出了图10的贴片天线系统的横截面图。图12A和12B示出了形成具有合成的锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体(Sn/Zn取代的SrM:SrFe7Zn2.5Sn2.5019)天线的天线系统的、示例性的方法的流程图。图13示出了测量的天线的电压驻波比(VSWR)，所述天线为制造出的图10所示的天线。图14示出了测量的天线的平均增益和峰值增益，所述天线为制造出的图10所示的天线。图15示出了用于如图9所示出的无线通信装置的、贴片天线系统的示例性的实施方式。图16示出了测量的天线的电压驻波比(VSWR)，所述天线为制造出的图15所示的天线。图17示出了测量的天线的平均增益和峰值增益，所述天线为制造出的图15所示的天线。图18示出了用于如图9所示出的无线通信装置的、贴片天线系统的示例性的实施方式。图19示出了测量的天线的电压驻波比(VSWR)，所述天线为制造出的图18所示的天线。图20示出了测量的天线的平均增益和峰值增益，所述天线为制造出的图18所示的天线。图21示出了图10、15和18示出的、制造的天线的尺寸和测量的性能的汇总表。
具体实施方式
本发明总体上涉及特别适用于高频(例如，千兆赫(GHz))应用的天线材料。在一个实施方式中，使用M型铁氧体，例如，锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体(Sn/Zn取代的SrM:SrFe12_2xZnxSnx019)来制造天线,从而实现了天线的小型化、宽频带和高增益。在一个示例性的实施方式中，化合物SrFe12_2xZnxSnx019中的值“x”在2和5之间，但是，在其他实施方式中，“X”的其他取值也是可能的。M型锶六角铁氧体(SrM =SrFe12O19)中的一些铁阳离子由锡(Sn)和锌(Zn)取代，以实现天线的软磁特性。因此，所述M型锶六角铁氧体的矫顽力比纯SrM的矫顽力低，而其磁导率比纯SrM的磁导率高。这样制造的六角铁氧体贴片天线具有宽频特性，并且在各种频率下(包括GHz频率范围内)都显示出良好的辐射性能。在一个实施方式中，采用溶胶-凝胶方法来合成Sn/Zn取代的SrM铁氧体。取代元素Sn和Zn的价格比Z型六角铁氧体(Ba3Co2Fe24O41)中的钴(Co)便宜，并且使用Sn/Zn取代的SrM铁氧体比使用Z型六角铁氧体的成本效益高。参考图1，在纯锶(钡)六角铁氧体中，铁阳离子(Fe3+)占据5个不同的晶体学格位。在锶(或者钡)六角铁氧体的晶格单元中具有24个Fe3+磁性阳离子。在这些Fe3+磁性阳离子中，在2b位的Fe3+具有最高的磁性晶体蛤异性，从而形成了硬磁特性。在4f位的Fe3+阳离子的磁性自旋方向背向其他位的方向向下。每个晶格单元的磁化大约为40波耳磁子(μ Β)。在一个实施方式中，在4f和2b位的部分Fe3+阳离子被非磁性的Sn和Zn阳离子所取代。该取代消除了 Fe3+阳离子在4f位的向下自旋，从而导致了饱和磁化的增加。在2b位的取代导致了低的磁各向异性，因此，六角铁氧体变软。现在将特别的参考图2，来描述示例性的、用于制造Sn/Zn取代的SrM铁氧体(SrFe12^2xZnxSnxO19)的溶胶-凝胶合成方法。然而，需要强调的是，可使用其他类型的方法来制造这种材料。如图2中的块11所示，将按化学计量组成所需的数量的化学原料(SrC12.6Η20，FeC13.6Η20, SnC14.χΗ2(^Ρ ZnC12)溶解到乙二醇中，并进行约12小时的磁力搅拌。如块12所示，溶解的溶液在约150° C的温度下，在氮气中回流约2个小时。如块13所示，回流后的溶液在约200° C的热板上蒸发 ，直到完全蒸发。如块14所示，随后收集蒸发后的粉末，并进行研磨。如块15所示，随后以约550° C的温度对粉末进行加热，以在通风橱中分解有机前躯体。如块16所示，随后在约1450° C的熔炉中对粉末进行焙烧。如图3所示，已通过X-射线衍射图案确认了使用这种方法合成的六角铁氧体粉末。图4示出了纯SrM和Sn/Zn取代的SrM (SSZM=SrFe7Sn2.5Ζη2.5019)以各种温度进行热处理后的磁性能。随着M型六角铁氧体中Sn和Zn对Fe的取代,矫顽力(He)而不是磁硬度降低，同时与纯SrM相比，能保持较高的饱和磁化强度(σ S)。这是因为Sn阳离子和Zn阳离子占据了在4f位的向下自旋和在2b位的磁各向异性。相应的，SSZM的矫顽力从纯SrM的约IlOOOe大幅下降到约340e。需要指出的是，SSZM变软。因此，期望比硬磁性的纯SrM的磁导率更高的磁导率，并期望将这种更高的磁导率应用到高频(例如，GHz)天线应用中。图5示出了在三个不同温度下热处理的SSZM粉末的磁滞回线。获得了约1500 ° C(5小时)的样品的最低矫顽力，约为33.890e，而1450° C (5小时)的样品显示出最高的磁化强度，约为68.72emu/g。高饱和磁化强度和低矫顽力能够实现高磁导率。因此，在一个示例性实施方式中，选择1450° C (10小时)的样品用于天线制造，然而在其他实施方式中可以选择其他样品。在图8中，汇总了 SSZM的磁特性。下面的磁化强度(M)曲线的数值分析用于估计SSZM粉末的各向异性磁场(H α )。
权利要求
1.一种用于无线通信装置(25)的天线系统(52)，包括: 基板(55)； 在所述基板上形成的贴片天线(33)，所述贴片天线包括软磁性M型六角铁氧体；以及 与所述天线接触的传导性辐射体(59)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述M型六角铁氧体包括锡Sn和锌Zn。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述M型六角铁氧体包括锡Sn和锌Zn取代的M型锶六角铁氧体。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述M型六角铁氧体包括SrFe12_2xZnxSnx019，其中，X为2和5之间的值。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，通过微细加工形成所述贴片芯片和传导性辐射体。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述贴片天线的铁氧体基板的铁磁共振频率高于所述天线的谐振频率。
7.—种制造用于无线通信装置(25)的天线系统(52)的方法，包括: 提供基板(55)； 在所述基板上形成贴片天线(33)，所述贴片天线包括软磁性M型六角铁氧体；以及 在所述贴片天线上形成传导性辐射体(59)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述M型六角铁氧体包括锡(Sn)和锌(Zn)。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述M型六角铁氧体包括锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述M型六角铁氧体包括SrFe12_2xZnxSnx019，其中，X为2和5之间的值。
11.根据权利要求7所述的方法，进一步包括将所述贴片天线耦合到千兆赫(GHz)收发器。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，通过微细加工形成所述贴片芯片。
13.根据权利要求7所述的天线芯片，其中，所述贴片天线的铁氧体基板的铁磁共振频率高于所述天线的谐振频率。
全文摘要
使用M型铁氧体，例如，锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体(Sn/Zn取代的SrMSrFe12-2xZnxSnxO19)来制造天线，从而实现了天线的小型化、宽频带和高增益。在一个示例性的实施方式中，天线系统(52)具有基板(55)和形成在所述基板上的贴片天线(33)。所述系统具有与所述贴片天线接触的传导性辐射体(59)，并且所述贴片天线包括M型锶六角铁氧体，其中，铁阳离子被锡(Sn)和锌(Zn)取代，以实现天线的软磁特性。因此，所述锡(Sn)和锌(Zn)取代的M型锶六角铁氧体的矫顽力比纯SrM的矫顽力低，而其磁导率比纯SrM的磁导率高。这样制造的六角铁氧体贴片天线具有宽频特性，并且在各种频率下(包括GHz频率范围内)都显示出良好的辐射性能。
文档编号B05D5/12GK103209773SQ201180054794
公开日2013年7月17日 申请日期2011年11月15日 优先权日2010年11月15日
发明者Y-K·洪, S·白, J-J·李 申请人:代表阿拉巴马大学的阿拉巴马大学理事会